FR2511427A1 - ACOUSTIC THERMAL MOTOR WITH STATIONARY SEALING DEVICES - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE UN MOTEUR THERMIQUE ACOUSTIQUE A DISPOSITIFS D'ETANCHEITE STATIONNAIRES. CE MOTEUR EST CARACTERISE EN CE QU'IL COMPREND A UNE FREQUENCE SELECTIONNEE ET PRESENTANT DES PREMIERE ET SECONDE EXTREMITES; UN MOYEN 42 POUR OBTURER LA PREMIERE EXTREMITE, UN FLUIDE COMPRESSIBLE SUPPORTANT UNE ONDE ACOUSTIQUE STATIONNAIRE, LOGE DANS LEDIT RECIPIENT; DES MOYENS 14, 22, 24, 26 DISPOSES A LA SECONDE EXTREMITE POUR EXCITER CYCLIQUEMENT LE FLUIDE AVEC UNE ONDE ACOUSTIQUE STATIONNAIRE A LADITE FREQUENCE SELECTIONNEE; UN SECOND AGENT THERMODYNAMIQUE 46 PLACE DANS LE RECIPIENT AU VOISINAGE DU MOYEN D'OBTURATION, L'ENERGIE SE DEPLACANT VERS LEDIT MOYEN D'OBTURATION LORSQUE LE MOTEUR FONCTIONNE. APPLICATION A LA REFRIGERATION OU AU CHAUFFAGE.THE INVENTION CONCERNS AN ACOUSTIC THERMAL MOTOR WITH STATIONARY SEALING DEVICES. THIS MOTOR IS CHARACTERIZED IN THAT IT UNDERSTANDS AT A SELECTED FREQUENCY AND PRESENTING FIRST AND SECOND ENDS; A MEANS 42 FOR CLOSING THE FIRST END, A COMPRESSIBLE FLUID SUPPORTING A STATIONARY ACOUSTIC WAVE, LODGE IN THE CONTAINER; MEANS 14, 22, 24, 26 AVAILABLE AT THE SECOND END FOR CYCLICALLY EXCITING THE FLUID WITH A STATIONARY ACOUSTIC WAVE AT THE SAID SELECTED FREQUENCY; A SECOND THERMODYNAMIC AGENT 46 PLACED IN THE CONTAINER NEAR THE SHUTTER MEDIA, THE ENERGY MOVING TO THESE SHUTTER MEDIA WHEN THE MOTOR IS RUNNING. APPLICATION TO REFRIGERATION OR HEATING.
Description
La présente invention se rapporte à des moteurs thermiques et, plusThe present invention relates to thermal engines and, more
particulièrement, à des moteurs thermiques acoustiques dont les dispositifs d'étanchéité particularly, to acoustic heat engines whose sealing devices
sont stationnaires.are stationary.
Une fonction importante d'un moteur thermique consiste (} pomper la chaleur d'un réservoir thermique à une première température jusqu'à un second réservoir thermique à une seconde température plus élevée,en développant un travail mécanique Le moteur Stirling est un exemple de dispositif qui, lorsqu'il est utilisé avec An important function of a heat engine is to pump heat from a thermal reservoir at a first temperature to a second heat reservoir at a second higher temperature, developing mechanical work. The Stirling engine is an example of a device. which, when used with
un gaz idéal, peut pomper de la chaleur de manière réver- an ideal gas, can pump heat backwards
sible Un tel moteur comporte deux éléments mécaniques, un piston de travail et un piston auxiliaire, dont les mouvements sont mutuellement synchronisés pour atteindre Such a motor has two mechanical elements, a working piston and an auxiliary piston, whose movements are mutually synchronized to reach one another.
le résultat escompté Dans un article intitulé "Pulse- the expected result In an article entitled "Pulse-
Tube Refrigeration" paru en août 1964 dans les "Trans- Tube Refrigeration "published in August 1964 in the" Trans-
actions of the ASME" (pp 264-268), W E Gifford et R C. actions of the ASME "(pp 264-268), W E Gifford and R C.
Longsworth décrivent un moteur intrinsèquement irréver- Longsworth describes an inherently irreversible motor
ible qu'ils qualifient de réfrigérateur à tube oscillant ou réfrigérateur à pompage de la chaleur superficielle, qui, en principe, nécessite seulement un organe mobile et réalise la synchronisation nécessaire entre les variations de température et la vitesse d u fluide grâce à une temporisation du contact thermique entr e un agent gazeux primaire et un agent thermodynamique secondaire They call it an oscillating tube refrigerator or a superficial heat pump refrigerator, which, in principle, only requires a movable element and makes the necessary synchronization between the temperature variations and the fluid velocity thanks to a delay of the contact. thermal input between a primary gaseous agent and a secondary thermodynamic agent
(formé dans ce cas par la paroi d'un tube en acier inoxy- (formed in this case by the wall of a stainless steel tube
dable) A la place d'un piston de travail, ce dispositif selon Gifford et Longsworth utilise une valve rotative qui raccorde cycliquement à une fréquence d'environ 1 Hz le tube à des réservoirs de haute pression et de basse pression alimentés par un compresseur L'appareil selon la présente invention applique le principe du pompage de la chaleur superficielle, mais il augmente la fréquence de fonctionnement par un facteur d'environ cent au-delà de la fréquence du dispositif précité Le In place of a working piston, this device according to Gifford and Longsworth uses a rotary valve which cyclically connects at a frequency of about 1 Hz the tube to high pressure and low pressure tanks fed by a compressor L apparatus according to the present invention applies the principle of pumping surface heat, but it increases the operating frequency by a factor of about one hundred beyond the frequency of the aforementioned device.
-251142 ?-251142?
moteur de l'invention ne comporte pas de compresseur, mais un entraîneur ou excitateur acoustique, dispensant ainsi de l'utilisation de tous les dispositifs mobiles d'étanchéité et de la nécessité d'organes externes à inertie mécanique, tels que des volants. motor of the invention does not include a compressor, but a trainer or acoustic exciter, thus dispensing with the use of all mobile devices for sealing and the need for external members with mechanical inertia, such as flywheels.
L'un des dispositifs intéressants de l'art anté- One of the interesting features of the prior art
rieur est un moteur thermique à onde mobile décrit dans le brevet US-4 114 380 (Ceperley) Ce dispositif utilise un fluide compressible logé dans un récipient tubulaire, ainsi qu'une onde acoustique progressive L'énergie thermique est ajoutée au fluide sur l'un des côtés d'un second agent thermodynamique et elle est extraite de ce fluide de l'autre côté dudit second agent La matière intercalée entre ces deux côtés est maintenue dans un équilibre thermique approximatif avec le fluide, ce qui oblige un gradient thermique dans ce fluide à rester sensiblement stationnaire Le fonctionnement de This device uses a compressible fluid housed in a tubular container, as well as a progressive acoustic wave. The thermal energy is added to the fluid on the tube. one of the sides of a second thermodynamic agent and it is extracted from this fluid on the other side of said second agent The material interposed between these two sides is maintained in an approximate thermal equilibrium with the fluid, which forces a thermal gradient in this fluid to remain substantially stationary The operation of
ce dispositif diffère de celui du dispositif de l'inven- this device differs from that of the device of the invention.
tion sous de nombreux aspects Le dispositif connu utilise des ondes acoustiques mobiles dont la pression oscillatoire locale p est nécessairement égale au -poduit de l'impédance acoustique pc et de la vitesse locale v à chaque point du moteur En revanche, le The known device uses mobile acoustic waves whose local oscillatory pressure p is necessarily equal to the product of the acoustic impedance pc and the local velocity v at each point of the motor.
dispositif selon l'invention utilise des ondes acousti- device according to the invention uses acoustic waves
ques stationnaires pour lesquelles la condition p> pcv peut être obtenue au voisinage du second agent thermodynamique, augmentant ainsi le rapport entre les effets thermodynamiques et les effets de dissipation par viscosité Des ondes mobiles exigent qu'il ne se produise pas de réflexion dans le système; une telle condition est difficile à obtenir étant donné que le stationary conditions for which the p> pcv condition can be obtained in the vicinity of the second thermodynamic agent, thus increasing the ratio between the thermodynamic effects and the viscosity dissipation effects Mobile waves require that no reflection in the system occurs ; such a condition is difficult to obtain since the
second agent constitue un obstacle qui a tendance à - second agent is an obstacle that tends to -
réfléchir les ondes De surcroît, il est techniquement plus difficile d'obtenir un système à onde purement mobile efficace du point de vue thermodynamique qu'un système à onde stationnaire Dans l'invention de la référence citée ci-dessus, il est aussi obligatoire que t 5114 fl le fluide primaire soit en excellent équilibre thermique local avec le second agent Il en résulte-une analogie étroite avec le moteur Stirling Cependant, l'exigence relative à la géométrie du fluide, nécessaire pour réaliser un bon équilibre thermique impose nécessaire- ment, conjuguée à l'exigence selon laquelle p = fcv pour une onde mobile, une perte importante par viscosité (exception faite des fluides inconnus dont le nombre de Prandtl est excessivement bas) La présente invention tire parti du contact thermique imparfait avec le In addition, it is technically more difficult to obtain a thermodynamically efficient purely mobile wave system than a stationary wave system. In the invention of the reference cited above, it is also mandatory that The result is a close analogy with the Stirling engine. However, the requirement for the geometry of the fluid, necessary to achieve a good thermal equilibrium, necessarily requires that the primary fluid be in excellent local thermal equilibrium with the second agent. , together with the requirement that p = fcv for a moving wave, a significant loss by viscosity (except for unknown fluids whose Prandtl number is excessively low) The present invention takes advantage of the imperfect thermal contact with the
second agent en tant que paramètre essentiel du proces- second agent as an essential parameter of the process.
sus de pompage de la chaleur Par conséquent, un moteur selon l'invention ne doit pas nécessairement présenter les fortes pertes par viscosité du moteur à ondes mobiles Therefore, an engine according to the invention need not necessarily have the high viscosity losses of the moving-wave engine.
du brevet US-4 114 380 précité.of the aforementioned US Pat. No. 4,114,380.
Le brevet US-3 237 421 (Gifford) décrit le dispositif de pompage de la chaleur superficielle U.S. Patent 3,237,421 (Gifford) discloses the superficial heat pumping device
exposé dans l'article précité de Gifford et Longsworth. discussed in the aforementioned article by Gifford and Longsworth.
La présente invention se distingue de celle de ce brevet non seulement par les caractéristiques décrites ci-avant, mais également par le fait que le régénérateur,devant nécessairement être interposé entre la source de pression et la partie de l'appareil du brevet précité assurant The present invention is distinguished from that of this patent not only by the characteristics described above, but also by the fact that the regenerator, necessarily having to be interposed between the pressure source and the part of the apparatus of the aforementioned patent ensuring
le pompage de la chaleur superficielle, n'est pas impé- the pumping of the superficial heat is not essential.
ratif dans la présente invention En effet, l'incorpo- In fact, the incorpo-
ration d'un tel régénérateur dans le moteur selon. ration of such a regenerator in the engine according to.
l'invention diminue-aiit son rendement par suite des mêmes problèmes de dissipation visqueuse de la chaleur the invention decreases its yield as a result of the same problems of viscous dissipation of heat
qui affectent l'invention du brevet susmentionné US- that affect the invention of the aforementioned patent US-
4 114 380 En outre, le dispositif du brevet US-3 237 421 In addition, the device of US Pat. No. 3,237,421
requiert un compresseur de grandes dimensions et obliga- requires a large compressor and requires
toirement lourd, alors que le moteur selon la présente invention est léger car il ne nécessite pas un tel compresseur Enfin, le moteur du brevet Cifford demande aussi des dispositifs d'étanchéité mobiles, ce qui While the engine according to the present invention is lightweight because it does not require such a compressor Finally, the engine of the Cifford patent also requires movable sealing devices, which
n'est pas le cas du moteur de l'invention. is not the case of the engine of the invention.
L'un des objets de la présente invention One of the objects of the present invention
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consiste à assurer une réfrigération et/ou un chauffage consists in providing refrigeration and / or heating
sans nécessairement prévoir des dispositifs d'étanchéi- without necessarily providing sealing devices
té mobiles.mobile tees.
Un autre objet de l'invention est de supprimer la présence obligatoire d'organes externes d'inertie mécanique, tels que des volants d'inertie, équipant Another object of the invention is to eliminate the compulsory presence of external mechanical inertia members, such as flywheels, which equip
un appareil de réfrigération ou de chauffage. a refrigeration or heating appliance.
L'invention vise également à augmenter la fré- The invention also aims at increasing the frequency
quence de fonctionnement bien au-delà de la fréquence operating frequency far beyond the frequency
typique de la plupart des appareils mécaniques. typical of most mechanical devices.
Selon les caractéristiques essentielles du moteur thermique acoustique de l'invention, ce moteur comporte un récipient tubulaire, par exemple rectiligne-, en U ou en 3 L'une des extrémités de ce récipient est fermée par un capuchon et ledit récipient est empli d'un fluide compressible capable de supporter une onde acoustique stationnaire L'autre extrémité dudit récipient est coiffée d'un dispositif comprenant,par exemple,le diaphragme et la bbbine oscillatrice d'un entraineur ou excitateur acoustique pour engendrer une onde-acous tique à l'intérieur de l'agent fluide Dans une forme de réalisation préférée, il est prévu un élément tel qu'un réservoir de pression pour délivrer une pression choisie au fluide à l'intérieur du récipient Un second According to the essential characteristics of the acoustic thermal engine of the invention, this engine comprises a tubular container, for example rectilinear, U or 3. One of the ends of this container is closed by a cap and said container is filled with A compressible fluid capable of supporting a stationary acoustic wave The other end of said container is capped with a device comprising, for example, the diaphragm and the oscillatory beam of an acoustic trainer or exciter for generating an acoustic wave at the In a preferred embodiment, there is provided an element such as a pressure reservoir for delivering a selected pressure to the fluid inside the container.
agent thermodynamique est placé à l'intérieur dudit- thermodynamic agent is placed inside said
récipient, au voisinage mais à distance de son-extrémité fermée par un capuchon, de manière à recevoir la chaleur provenant du fluide qui le traverse lors de la phase d'augmentation de pression d'un cycle d'onde, et de manière à céder cette chaleur au fluide lorsque la pression du gaz diminue lors de la phase appropriée dudit cycle d'onde Le contact thermique imparfait entre le fluide et le second agent se traduit par un intervalle d'inertie thermique commençant à 90 entre container, in the vicinity but spaced from its closed end by a cap, so as to receive heat from the fluid that passes through it during the pressure increase phase of a wave cycle, and to yield this heat to the fluid when the pressure of the gas decreases during the appropriate phase of said wave cycle The imperfect thermal contact between the fluid and the second agent results in a thermal inertia interval starting at 90 between
la température locale du fluide et sa vitesse locale. the local temperature of the fluid and its local velocity.
Il en résulte une différence de température sur la longueur d'e cet agent et, dans le cas de la forme de This results in a temperature difference over the length of this agent and, in the case of the form of
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réalisation préférée, sensiblement sur la longueur de preferred embodiment, substantially over the length of
la branche la plus courte du récipient conformé en 3. the shortest branch of the container shaped in 3.
Des puits de chaleur et/ou des sources de chaleur peu- Heat sinks and / or heat sources may
vent être associés au dispositif de la présente inven- associated with the device of this invention.
tion approprié pour provoquer une réfrigération et/ou appropriate to cause refrigeration and / or
un chauffage.a heater.
L'un des avantages de la présente invention est qu'elle est facile à réaliser, de conception simple et One of the advantages of the present invention is that it is easy to carry out, of simple design and
d'un fonctionnement et d'un entretien peu onéreux. inexpensive operation and maintenance.
Un autre avantage de la présente invention est qu'elle ne comporte aucun dispositif mobile d'étanchéité Another advantage of the present invention is that it does not include any mobile sealing device
et présente un seul et unique élément mobile. and presents a single and mobile element.
Un autre avantage encore,propre à la présente Another advantage, specific to the present
invention,réside dans le fait qu'elle propose un appa- invention lies in the fact that it proposes a
reil compact et léger.compact and lightweight.
Sous un autre de ses aspects avantageux, la présente invention peut être utilisée pour chauffer ou réfrigérer au-delà ou en deçà de plages de températures sélectionnées, depuis des températures cryogéniques jusqu'à des températures très élevées, en fonction des In another of its advantageous aspects, the present invention may be used to heat or cool beyond or below selected temperature ranges, from cryogenic temperatures to very high temperatures, depending upon
matériaux, des pressions et des fréquences utilisés. materials, pressures and frequencies used.
L'invention va à présent être décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur l-'qu-el The invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawing by way of non-limiting example and on which
la figure 1 est une coupe d'une forme de réali - FIG. 1 is a section of a form of real -
sation préférée selon l'invention; et la figure 2 est une coupe transversale, selon la ligne A-A de la figure 1, représentant un second preferred embodiment according to the invention; and FIG. 2 is a transverse section, along the line A-A of FIG. 1, representing a second
agent thermodynamique utilisé dans la forme de réalisa- thermodynamic agent used in the form of
tion préférée selon l'invention.preferred embodiment of the invention.
Un moteur 10 selon l'invention, dont le mode de réalisation préféré est illustré sur la figure 1, comporte un récipient 12 cylindrique ou tubulaire de forme générale en 3, comprenant un coude en U, une branche courte et une branche longue Sa branche longue est coiffée par un bottier 14 d'entralneur ou excitateur acoustique supporté par une plaque de base 16 et fixé à cette dernière par des boulons 18 pour former un joint étanche aux fluides pressurisés entre ladite plaque 16 et ledit boitier 14 Dans la forme de réalisation préférée, la plaque de base 16 repose sur- la face supérieure d'un collet 20 faisant saillie vers l'extérieur au- delà de la paroi du récipient 12 Le boîtier 14 renferme un aimant permanent 22, un diaphragme 24 et une bobine oscillatrice 26 Des conducteurs 28 et 30, traversant une garniture d'étanchéité 38 dans la plaque de base 16, sont raccordés à une source 36 de courant de fréquence A motor 10 according to the invention, the preferred embodiment of which is illustrated in FIG. 1, comprises a cylindrical or tubular receptacle 12 of generally 3-shaped shape, comprising a U-shaped bend, a short branch and a long branch. is capped by a caster 14 of entralneur or exciter acoustic supported by a base plate 16 and fixed thereto by bolts 18 to form a pressurized fluid-tight seal between said plate 16 and said housing 14 In the preferred embodiment the base plate 16 rests on the upper face of a collar 20 protruding outwardly beyond the wall of the container 12. The housing 14 encloses a permanent magnet 22, a diaphragm 24 and an oscillating coil 26. conductors 28 and 30, passing through a seal 38 in the base plate 16, are connected to a source 36 of frequency current
audible L'ensemble comprenant la bobine et le diaphrag- The set comprising the coil and the diaphragm
me est monté par l'intermédiaire d'un anneau flexible 34 sur un support 32 assujetti à l'aimant 22 Il apparaîtra à l'homme de l'art que l'excitateur acoustique illustré est de type classique Dans la forme de réalisation préférée, cet excitateur fonctionne dans une plage de is mounted by means of a flexible ring 34 on a support 32 secured to the magnet 22. It will be apparent to one skilled in the art that the illustrated acoustic exciter is of the conventional type. In the preferred embodiment, this exciter works in a range of
fréquence de 400 Hz (au moins d'environ 100 Hz) Toute- frequency of 400 Hz (at least about 100 Hz) Any-
fois, dans ladite forme de réalisation préférée, on peut utiliser une plage de 100 Hz à 1000 Hz Dans ladite forme time, in said preferred embodiment, a range of 100 Hz to 1000 Hz may be used in said form
préférée, on a utilisé de l'hélium pour emplir le réci- preferred, helium was used to fill the recipe
pient 12, mais il apparaîtra là encore aux spécialistes qu'on peut aussi employer aisément d'autres gaz (tels que de l'air et de l'hydrogène gazeux) ou des liquides (tels que des "Fréons" ou du propylène), voire des 12, but again it will be apparent to those skilled in the art that other gases (such as air and hydrogen gas) or liquids (such as "freons" or propylene) can also be readily used, even
métaux liquides comme un eutectique liquide de sodium- liquid metals like a liquid sodium eutectic-
potassium pour mettre l'invention en pratique Une collerette 40 est fixée, par exemple par soudage, à la face supérieure de la branche courte du J Un capuchon d'extrémité 42, placé en dessus de la collerette 40, est assujetti à cette dernière par des boulons 44 pour former un joint étanche aux fluides pressurisés Un second agent thermodynamique 46, qui est représenté en In one embodiment, a flange 40 is fixed, for example by welding, to the upper face of the short leg of the neck. An end cap 42, placed above the collar 40, is secured thereto by bolts 44 to form a pressurized fluid seal A second thermodynamic agent 46, which is shown in FIG.
coupe transversale sur la figure 2, consiste de préfé- cross section in Figure 2, preferably consists of
rence en des cylindres concentriques, en une spirale ou en des plaques Parallèles fabriqués en un matériau tel que du ";ylar"(acide terephtalique + éthylène glycol)> du "Ny 1 on"(po 1 yamide), du "Kapton" Cpolyiride), une époxyde, in concentric cylinders, in a spiral or in parallel plates made of a material such as "ylar" (terephthalic acid + ethylene glycol)> "Ny 1 on" (po 1 yamide), "Kapton" Cpolyiride ), an epoxide,
un acier inoxydable de faible épaisseur ou matière ana- a thin stainless steel or analogous material
logue Le matériau mis en oeuvre doit être capable de provoquer un échange thermique avec le fluide renfermé par le récipient 12 Une autre matière solide, dont la capacité ther ique effective par unité de surface à la fréquence de fonctionnement est nettement supérieure à celle du fluide voisin, et qui présente commodément une faible conductibilité thermique dans le sens longitudinal, agira comme un second agent thermodynamique De petits points 56 illustrés sur la figure 2 peuvent représenter des protubérances ou autres moyens servant à maintenir les cylindres concentriques, les enroulements de la spirale ou les plaques parallèles approximativement équidistants les uns des autres On fera observer la présence d'un espace extrême entre le capuchon 42 et le sommet de l'agent thermodynamique 46 Au voisinage de cet espace extrême et du sommet de l'agent 46, le récipient 12 communique avec un puits de chaleur 50 par l'intermédiaire d'un conduit 48, provoquant ainsi un échange thermique par dégagement de chaleur Un second conduit 52, raccordé au récipient 12 à l'extrémité inférieure de l'agent thermodynamique 46, communique avec une source de chaleur 54 et assure ainsi un échange The material used must be capable of causing a heat exchange with the fluid contained by the container 12 Another solid material whose effective thermal capacity per unit area at the operating frequency is significantly higher than that of the neighboring fluid and which conveniently has a low thermal conductivity in the longitudinal direction, will act as a second thermodynamic agent. Small dots 56 illustrated in FIG. 2 may represent protuberances or other means for maintaining concentric cylinders, spiral windings or Parallel plates approximately equidistant from each other The presence of an extreme space between the cap 42 and the top of the thermodynamic agent 46 will be observed. In the vicinity of this extreme space and the top of the agent 46, the container 12 communicates. with a heat sink 50 via a conduit 48, thereby causing a n heat exchange by heat generation A second conduit 52, connected to the container 12 at the lower end of the thermodynamic agent 46, communicates with a heat source 54 and thus ensures an exchange
thermique par absorption de chaleur Une pression souhai- thermal absorption by heat absorption A desired pressure
tée ou sélectionnée est délivrée par une source 64 selected or selected is issued by a source 64
d'alimentation en fluide sous pression, par l'intermé- fluid supply under pressure, through
diaire d'un conduit 58 et d'une valve 60 Cette pression of a conduit 58 and a valve 60 This pressure
peut être réglée par un manomètre 62. can be adjusted by a pressure gauge 62.
L'excitateur acoustique,dont l'aimant perma- The acoustic exciter, whose permanent magnet
nent 22 engendre un champ magnétique radial qui agit sur le courant passant par la bobine oscillatrice 26 afin de fournir au diaphragme 24 la force pour provoquer des oscillations acoustiques à l'intérieur du fluide, est accouplé mécaniquement au récipient 12 (résonateur acoustique conformé en un tube en 3 dont l'une des extrémités est obturée par le capuchon 42) Dans un 22 causes a radial magnetic field that acts on the current flowing through the oscillating coil 26 to provide the diaphragm 24 with the force to cause acoustic oscillations within the fluid, is mechanically coupled to the container 12 (acoustic resonator formed into a tube in 3 whose one end is closed by the cap 42) In a
moteur typique, le résonateur peut être approximative- typical motor, the resonator can be approximate-
ment long d'un quart de longueur d'onde à sa résonnance 2511 i 427 fondamentale,, mais l'homme de l'art comprendra que cette caractéristique n'est pas essentielle Aucun dispositif à inertie mécanique n'est nécessaire, étant donné que toute l'inertie requise est fournie par l'agent fluide primaire proprement dit résonnant à long quarter-wavelength at its fundamental resonance, but those skilled in the art will understand that this feature is not essential. No mechanical-inertia device is required, since all the required inertia is provided by the primary fluid agent itself resonating at
l'intérieur du tube en 3 Le second agent thermodynami- inside the tube in 3 The second thermodynamic agent
que 46 formé par des couches doit présenter une faible conductibilité thermique dans le sens longitudinal en vue de réduire les pertes de chaleur Dans la forme-de réalisation préférée, l'espacement entre les cylindres that the layered layer 46 must have a low thermal conductivity in the longitudinal direction in order to reduce the heat losses. In the preferred embodiment, the spacing between the cylinders
concentriques de cet agent 46 est d'une largeur unifor- This concentric agent 46 is of uniform width.
me d Une autre condition à remplir par ce second agent est que sa capacité thermique effective CA par unité de surface soit considérablement plus 2 grande que celle (CA) du fluide primaire voisin Ces propriétés sont 1 représentées mathématiquement comme suit C A CI d; C -C 2 Another condition to be fulfilled by this second agent is that its effective thermal capacity CA per unit area is considerably greater than that (CA) of the neighboring primary fluid. These properties are mathematically represented as follows: C A CI d; C -C 2
A CA 2 C 2 2A CA 2 C 2 2
o C et C sont les capacités thermiques respectives o C and C are the respective thermal capacities
I 2I 2
par unité de volume de l'agent primaire fluide et de l'agent secondaire solide 46 et 52 ( 2 l 1/2 52 étant la profondeur de pénétration thermique dans le second agent de diffusivité thermique k 2, pour une fréquence angulaire C = 2 T f (f étant la fréquence acoustique) La condition selon laquelle CA > CA est aisément obtenue, ainsi que de faibles pertes de chaleur dans le sens longitudinal, si le second agent est une matière du type"Kapton", "flylar", "Nylon", un époxyde ou de l'acier inoxydable pour des fréquences de quelques centaines d'hertz à une pression de l'hélium gazeux d'environ 10,13 bars Pour un fonctionnement efficace,il est nécessaire que les pertes visqueuses soient faibles Cela peut être obtenu si L/?c < 1, ou per unit volume of the primary fluid agent and the solid secondary agent 46 and 52 (2 1 1/2 being the thermal penetration depth in the second thermal diffusivity agent k 2, for an angular frequency C = 2 T f (f being the acoustic frequency) The condition that CA> CA is easily obtained, as well as small heat losses in the longitudinal direction, if the second agent is a material of the type "Kapton", "flylar", " Nylon ", an epoxy or stainless steel for frequencies of a few hundred hertz to a helium gas pressure of about 10.13 bar For efficient operation, it is necessary that the viscous losses are low This can be obtained if L /? c <1, or
L est la longueur du second agent et * est la longueur- L is the length of the second agent and * is the length
en radians de l'onde acoustique représentée par k= >/2 F= c/2 rf (o c est la vitesse du son dans in radians of the acoustic wave represented by k => / 2 F = c / 2 rf (where c is the speed of sound in
-2511427-2511427
l'agent fluide) Lors du dimensionnement du moteur, on the fluid agent) When sizing the motor,
choisit une valeur raisonnable de L, ainsi qu'une fré- chooses a reasonable value of L, as well as a frequency
quence générale commençant à L/> < 1 Pour une valeur de L d'environ 10 cm à 15 cm, une fréquence raisonnable est de 300 Hz à 400 Hz pour de l'hélium au voisinage de la température ambiante L'espacement de largeur d est alors déterminé approximativement par la condition obligatoire JC Ok 9 1 indispensable pour obtenir les variations nécessaires de température et l'harmonisation nécessaire entre les changements de température et la vitesse du fluide primaire 'T k correspond alors à la durée de relaxation thermique par diffusion qui, Generally speaking, starting at L /> <1 For a L value of about 10 cm to 15 cm, a reasonable frequency is 300 Hz to 400 Hz for helium near room temperature. is then determined approximately by the mandatory condition JC Ok 9 1 necessary to obtain the necessary variations of temperature and the necessary harmonization between the temperature changes and the speed of the primary fluid 'T k then corresponds to the diffusion thermal relaxation time which ,
lorsqu'on utilise une configuration de plaques parallè- when using a parallel plate configuration
les, est donnée par XI:,= d 2 1 < 2 k 1 the, is given by XI:, = d 2 1 <2 k 1
o k 1 est la diffusivité thermique du fluide primaire. o k 1 is the thermal diffusivity of the primary fluid.
En présence de gaz, la valeur de r est approximativement inversement proportionnelle à la pression L'espacement de largeur d est alors déterminé approximativement par l'inégalité d 9 2 k 1/2 -25 Une pression de l'hélium gazeux de 10,13 bars donne des valeurs parfaitement raisonnables de d In the presence of gas, the value of r is approximately inversely proportional to the pressure. The spacing of width d is then approximately determined by the inequality d 9 2 k 1/2 -25 A helium gas pressure of 10.13 bars gives perfectly reasonable values of d
c'est-à-dire d'environ 10 mm.that is, about 10 mm.
Ces considérations sont typiques pour le dimen- These considerations are typical for the size
sionnement du moteur En se référant à la figure 1, le fonctionnement est le suivant: l'excitateur acoustique est placé dans un boîtier pour résister à la pression du fluide de travail et il est assemblé mécaniquement au résonateur (récipient tubulaire 12 en 3) d'une manière étanche aux fluides Les conducteurs électriques partant de la bobine oscillatrice sont raccordés à With reference to FIG. 1, the operation is as follows: the acoustic exciter is placed in a housing to resist the pressure of the working fluid and is mechanically assembled to the resonator (tubular container 12 in 3). In a fluid-tight manner Electrical conductors leaving the oscillating coil are connected to
la source 36 de courant de fréquence audible en traver- the source 36 of audible frequency current through
1142711427
sant la garniture d'étanchéité 38 Le système acoustique a été amené jusqu'à une-pression p par l'intermédiaire de la valve 60, en utilisant la source 64 d'alimentation en fluide sous pression La fréquence et l'amplitude de la source de courant de fréquence audible sont The acoustic system was brought to a pressure p through the valve 60, using the source 64 for supplying pressurized fluid. The frequency and amplitude of the source of audible frequency current are
choisies pour produire la résonnance fondamentale corres- chosen to produce the fundamental resonance corresponding to
pondant à une résonnance d'un quart d'onde dans le récipient tubulaire 12 en 3 Dans d u He gazeux, un excitateur tel que le "JBL 2482 " fabriqué par la Société "James B Lansing Sound,Inc " provoquera facilement une variation de pression de crête à crête de 1,013 bar dans la région du capuchon d'extrémité 42 lorsque la pression moyenne régnant dans le récipient est d'environ In a gaseous heel, an exciter such as "JBL 2482" manufactured by the company "James B Lansing Sound, Inc." will easily cause a pressure change. peak-to-peak ratio of 1.013 bar in the region of the end cap 42 when the average pressure in the container is about
,13 bars., 13 bars.
Du fait que la-longueur de l'agent 46 est considérablement moindre que A, la pression est presque uniforme sur ce second agent thermodynamique Les effets Since the length of agent 46 is considerably less than A, the pressure is almost uniform on this second thermodynamic agent.
produits sont donc sensiblement les mêmes que ceux obte- products are therefore substantially the same as those
nus avec un agencement ordinaire à vérin mécanique pro- bare with an ordinary mechanical cylinder arrangement
duisant la même variation de pression à cette haute fréquence. Le pompage de la chaleur se produit de la façon suivante on considérera une petite quantité de fluide se trouvant à proximité de l'agent secondaire à un instant o la pression d'oscillation est égale à zéro et devient positive Lorsque-cette pression augmente, la quantité de fluide se déplace en direction du capuchon giving the same pressure variation at this high frequency. The pumping of the heat occurs in the following manner will be considered a small amount of fluid in the vicinity of the secondary agent at a time o the oscillation pressure is zero and becomes positive When this pressure increases, the amount of fluid moves towards the cap
d'extrémité 42 et son mouvement provoque son chauffage. end 42 and its movement causes its heating.
Avec une période de temporisation Tek, la chaleur est transférée au second agent à partir de la quantité chaude de fluide après que ce fluide s'est déplacé en direction du capuchon d'extrémité au-delà de son état d'équilibre, transmettant ainsi la chaleur en direction dudit capuchon d'extrémité La pression diminue ensuite et, conjointement, la température décroît Néanmoins, cette baisse de température n'est pas communiquée au second agent avant que la meme quantité de fluide ait une distance notable à partir de son état d'équilibre à l'écart du capuchon 42 et en direction du coude en U, en transmettant alors du froid à ce coude en U Dans ces co i-itions, il se produit un transfert global de chaleur du fond au sommet de l'espace d'inertie thermi- que Le refroidissement du fond se poursuit jusqu'à ce que le gradient thermique et les pertes calorifiques soient tels que la température du second agent coïncide avec celle du fluide voisin en mouvement lorsque ce With a delay time Tek, the heat is transferred to the second agent from the hot amount of fluid after this fluid has moved toward the end cap beyond its equilibrium state, thereby transmitting the heat towards said end cap The pressure then decreases and, together, the temperature decreases Nevertheless, this temperature drop is not communicated to the second agent before the same amount of fluid has a significant distance from its state d equilibrium away from the cap 42 and towards the U-bend, then transmitting cold to this U-bend In these conditions, there is a global heat transfer from the bottom to the top of the space. The cooling of the bottom continues until the thermal gradient and the heat losses are such that the temperature of the second agent coincides with that of the neighboring fluid in motion when e
fluide se déplace Un ajustement de la grandeur de. Fluid moves An adjustment of the magnitude of.
l'espace extrême au-dessous du capuchon d'extrémité détermine le déplacement volumétrique du fluide à la fin de l'intervalle d'inertie thermique et, de ce fait, j Ou'I un role important pour déterminer la quantité de chaleur pompée On fera observer que, du fait que son fond est froid, le tube en 3 représenté présente une bonne stabilité à la gravitation par rapport à la convection naturelle du fluide primaire Si un appareil the extreme space below the end cap determines the volumetric displacement of the fluid at the end of the thermal inertia interval and, hence, plays an important role in determining the amount of heat pumped. will observe that, because its bottom is cold, the tube 3 shown has a good stability to gravitation compared to the natural convection of the primary fluid If a device
selon la présente invention est construit pour fonction- according to the present invention is constructed for
ner dans un environnement exempt de gravité, tel que in a gravity-free environment, such as
l'espace, la configuration en 3 du tube devient super- the space, the configuration in 3 of the tube becomes super-
flue Cette configuration en 3 du récipient tubulaire 12 peut aussi être modifiée, de même que le comportement de ce dernier, si une baisse sensible du rendement est This configuration in 3 of the tubular container 12 may also be modified, as well as the behavior of the latter, if a significant drop in yield is
acceptable On peut utiliser par exemple des tubes rec- acceptable For example, it is possible to use
tilignes ou en U.tiline or U.
L description ci-avant d'une forme de réalisa- The above description of a form of realization
tion préférée selon l'invention a été présentée dans un but de pure illustration Elle ne saurait être preferred embodiment of the invention has been presented for the purpose of illustrative purposes. It can not be
considérée comme exhaustive ou comme limitant l'inven- considered exhaustive or as limiting the invention
tion à sa forme décrite et, manifestement, de nombreuses modifications et variations sont aisément possibles sans s'écarter du cadre de l'invention La forme de réalisation présentée a été choisie et décrite afin d'exposer clairement les principes de l'invention et son application pratique, de manière à permettre à d'autres spécialistes d'utiliser au mieux cette invention dans de nombreuses formes de réalisation et avec de nombreuses modifications appropriées aux buts respectifs recherchés Le cadre de l'invention est In view of its described form, and obviously, many modifications and variations are readily possible without departing from the scope of the invention. The embodiment shown has been chosen and described in order to clearly explain the principles of the invention and its practical application, so as to enable other specialists to best utilize this invention in many embodiments and with many modifications appropriate to the respective purposes sought. The scope of the invention is
défini par les revendications annexées. defined by the appended claims.
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